[發(fā)明專利]單相機(jī)全場多普勒測速裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910099367.2
• 申請日: 2009-06-04
• 公開（公告）號: CN101576568A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙曉東;張洪軍;彭海波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量學(xué)院
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 林懷禹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及流速的測量裝置，具體地說是涉及一種單相機(jī)全場多普勒測速裝置。

背景技術(shù)

隨著激光、計(jì)算機(jī)和傳感器等技術(shù)的發(fā)展，用于流場測量的新技術(shù)和新儀器不斷被創(chuàng)造出來，如激光多普勒風(fēng)速儀(LDA)、粒子成像測速儀(PIV)、平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)等應(yīng)用十分廣泛。

但目前還有一些流場沒有很好手段來進(jìn)行非接觸測量或測量中存在較大誤差，例如，高馬赫數(shù)和超高馬赫數(shù)流場測量、大尺度風(fēng)洞流場實(shí)時(shí)測量、燃燒場多參數(shù)實(shí)時(shí)測量等。對于基于PIV技術(shù)的測量裝置而言，由于對顆粒散射光要求很高，要求流場內(nèi)顆粒較大，但對于高馬赫數(shù)流場而言跟隨性會(huì)隨之降低，顆粒太小則散射光強(qiáng)變?nèi)酰Ｗ优鋵Τ晒β氏陆担瑹o法滿足全場測速的要求。近些年發(fā)展起來的多普勒全場測速(DGV)技術(shù)應(yīng)用在上述應(yīng)用中具有一定潛力。

DGV的基本工作原理是測量運(yùn)動(dòng)粒子散射光的多普勒頻移。當(dāng)激光被移動(dòng)粒子散射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，根據(jù)多普勒頻移公式有：

ΔfD=1λ(o^-i^)·V]]>

其中，和別是接收和發(fā)射光單位矢量，V是流動(dòng)速度矢量，λ是入射光波長。

DGV使用一個(gè)窄線寬激光來照亮流場中的某一平面。示蹤粒子散射光經(jīng)過分子濾波器后由一相機(jī)采集。同時(shí)該圖像在不經(jīng)過濾波器的情況下被另外一個(gè)相機(jī)一參考相機(jī)所采集。分子濾波器是一個(gè)簡單的光學(xué)元件(兩端開窗的玻璃圓柱)，內(nèi)裝吸收分子，該分子具有能夠和激光光譜相匹配的吸收帶。這就形成了一個(gè)具有有限長度斜邊的透射率曲線(如圖1所示)，通過濾波器的光譜強(qiáng)度和光的頻率有關(guān)。I_v/I_0v是分子濾波器的光譜透射率，I_v定義為通過濾波器后的光譜強(qiáng)度(在頻率v處)，I_0v為濾波器之前的光譜強(qiáng)度。通過濾波器的光譜強(qiáng)度是散射光的光譜強(qiáng)度與濾波器分子吸收線的卷積。信號相機(jī)的每一個(gè)像素記錄了積分光譜強(qiáng)度，I＝∫I_vdv。參考相機(jī)采集了未通過濾波器的流場圖像，即與未經(jīng)濾波器的積分光譜強(qiáng)度I₀(I₀＝∫I_0vdv)。以積分透射率為自變量，頻移(或頻率函數(shù)ζ)為因變量繪制頻移-透射率變化曲線(如圖2所示)，實(shí)際測試中，一旦每個(gè)像素點(diǎn)上的透射率通過兩個(gè)相機(jī)信號對比得到后，多普勒頻移就可以根據(jù)濾波器的頻率函數(shù)計(jì)算出，示蹤粒子速度(即流動(dòng)速度)可以由頻移計(jì)算出。

盡管DGV有其優(yōu)點(diǎn)，但是在應(yīng)用過程中還存在一些問題。為消除激光頻率和強(qiáng)度變化對測量結(jié)果的影響，需用參考信號來進(jìn)行修正，因此DGV技術(shù)中每個(gè)速度分量需用兩個(gè)相機(jī)，即信號相機(jī)和參考相機(jī)，由此造成設(shè)備造價(jià)昂貴，且不可避免地存在光路對正誤差。為此，研究人員提出多種改進(jìn)方法，如雙頻激光、鏡頭分區(qū)等，這些方法效果都不是很理想。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前全場測速技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種單相機(jī)全場多普勒測速裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

Nd:YAG激光器發(fā)出的調(diào)制激光經(jīng)分光鏡進(jìn)行分光后，一路經(jīng)圓柱透鏡和第一球面透鏡形成片光照亮流場測試區(qū)域，另一路經(jīng)平面鏡、第一碘分子濾波器、第二球面透鏡、光電二極管和計(jì)算機(jī)接口接到控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接口的三路控制信號分別經(jīng)頻率控制器、溫度控制器、同步控制器與Nd:YAG激光器連接，流場測試區(qū)域的散射光經(jīng)透鏡、第二碘分子濾波器和CCD相機(jī)接入控制計(jì)算機(jī)。

所述的第一、第二碘分子濾波器均為在石英玻璃筒體的兩端加上光學(xué)玻璃窗口，石英玻璃筒體外壁分別開有與真空泵相連的連接口，與冷端盲頭的連接接口，經(jīng)截止閥與裝有固態(tài)碘的側(cè)臂的連接接口。